管道環(huán)焊縫缺陷的ANSYS仿真分析★

羅福強，高松巍

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178）

0 引言

輸油管道泄漏事故的統(tǒng)計結(jié)果表明，管道焊縫缺陷是影響管道安全的風險之一，即管道環(huán)焊縫和螺旋焊縫[1]。目前，我國長輸管網(wǎng)密集，我國東部、東北部以及四川的多數(shù)油氣管線已經(jīng)運行二三十年，進入事故多發(fā)期。管道一旦發(fā)生故障而引發(fā)事故就將直接威脅人身安全，破壞生態(tài)環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟損失[2]。識別管道環(huán)焊縫缺陷的目的就在于研究缺陷存在的特征，以及如何發(fā)現(xiàn)這些缺陷，從而科學(xué)地指導(dǎo)管道的內(nèi)檢測。油氣輸送管道的造價很高，合理地進行管道內(nèi)檢測可以節(jié)約巨額的投資，降低管線風險，提高經(jīng)濟效益。本文以漏磁檢測原理、電磁場理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用ANSYS軟件，針對具體的問題進行了仿真分析并給出結(jié)果。上述研究將為推進漏磁檢測在工程中的進一步應(yīng)用和發(fā)展提供依據(jù)。

1 管道漏磁檢測原理

如果被測的鐵磁性材料表面光滑沒有缺陷且內(nèi)部無夾雜物，從原理上講，磁力線就將全部從管道壁中通過，并將均勻地分布在管道壁內(nèi)，在理想情況下，泄露的磁通基本為零。若存在缺陷，則是由于管道壁變薄，引起磁通分布不均勻，一部分磁場仍從管道壁中通過，另一部分從缺陷的凹陷中通過，還有一部分則從管道外穿過，滲透到空間去。既為漏磁通，則可由傳感器測得漏磁信號，其檢測原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理圖

因此，當有缺陷時，由探頭測得的漏磁信號值就會明顯地增大，無論材料的內(nèi)表面有缺陷還是外表面有缺陷，在管道的兩面均會產(chǎn)生漏磁通，可根據(jù)探頭測得的漏磁信號來判別損傷的情況[3]。

2 電磁場理論基礎(chǔ)

在磁導(dǎo)率為μ的介質(zhì)中，電流密度J形成的磁感應(yīng)強度B和穩(wěn)定磁場H之間的關(guān)系由麥克斯韋方程組及相應(yīng)的邊界條件確定，即：

式中：B——磁感應(yīng)強度；

H——磁場強度；

J——電流密度；

B1n——B1的法向分量；

B2n——B2的法向分量。

如果磁勢A定義為：

則在均勻介質(zhì)中由式 （1）、 （2） 和 （5） 可得：

對于軸對稱的管道系統(tǒng)，A=A(r,z)eθ，J=J0eθ（eθ為 θ方向單位矢量），于是，式 （6）簡化為式（7）：

由式 （5）可得下式：

這樣就可以利用有限元法對滿足式 （6）及相應(yīng)邊界條件式 （4）的漏磁檢測系統(tǒng)中各區(qū)域的磁勢進行數(shù)值計算[4]。

3 應(yīng)用ANSYS對環(huán)焊縫進行三維仿真

使用ANSYS軟件進行仿真計算包括創(chuàng)建仿真對象的實體模型、定義材料的單元和屬性、網(wǎng)格劃分、應(yīng)用邊界條件并施加激勵 （負載）、求解和觀察結(jié)果幾個步驟[5]。

本文采用三維實體模型，三維有限元的計算結(jié)果與采用的單元形式及劃分網(wǎng)格的方法密切相關(guān)，單元類型對于得到正確的計算結(jié)果至關(guān)重要，因此必須根據(jù)被離散區(qū)域形狀、結(jié)構(gòu)類型、計算分析類型等正確地選擇單元類型。管道整體模型如圖2所示。

圖2 管道整體模型

為簡化模型，對所要建立的模型做如下假設(shè)：

1）取管道周向1/8作為研究對象，直接將管道內(nèi)檢測器至于其中；

2）將環(huán)焊縫的焊接材料假設(shè)為與管壁相同的金屬材料；

3）忽略管道內(nèi)介質(zhì)對檢測器的作用；

4）環(huán)焊縫的缺陷具有對稱性。

為了精確地模擬管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)經(jīng)過環(huán)焊縫處的缺陷，本文采用三維實體模型，選取帶有明顯環(huán)焊縫缺陷的管道作為研究對象，根據(jù)實際的缺陷管道尺寸來建立仿真模型。

模型管道長度為1000 mm，管道直徑為720 mm，管道壁厚為10 mm，缺陷長度為8 mm，缺陷寬度為8 mm，缺陷深度為8 mm。實體模型如圖3所示。

圖3 管道環(huán)焊縫實體模型

其中，A、E為檢測器的鋼刷；B、D為檢測器的永磁體；C為軛鐵；F為管壁之間的帶有缺陷的環(huán)焊縫。自頂向下構(gòu)造有限元模型，被測管壁、檢測裝置的永磁體、軛鐵、鋼刷和空氣是本模型中需要定義的材料，選取X52鋼，定義材料單元為SOLID96，軛鐵的相對磁導(dǎo)率為2000，鋼刷的相對磁導(dǎo)率為2000，檢測裝置所用的軛鐵，其磁特性在這里不做介紹，對鋼刷的介質(zhì)描述是十分困難的，在本模型中采用了與軛鐵相同的磁特性曲線來代替，實踐證明這對結(jié)果的影響較小，是可行的。左永磁鐵的相對磁導(dǎo)率與矯頑力分別為1.05和896000 A/m，右永磁鐵的相對磁導(dǎo)率與矯頑力分別為1.05和-896000 A/m，管壁BH參數(shù)為500，0.39；1000， 0.82； 2000，1.3； 2500，1.44； 3000， 1.51；4000， 1.61； 5000， 1.69； 6000， 1.73； 7000， 1.77；8000， 1.8； 9000， 1.83； 10000， 1.84； 15000， 1.95；20000，2.01；24000， 2.05。

本模型采用SOLID96單元，該單元主要用于模擬三維實體模型，是8節(jié)點六面體單元[5]。

用自由網(wǎng)格劃分模型，并且在含有缺陷處進行網(wǎng)格細化[6]。ANSYS提供的自由網(wǎng)格生成器、映射網(wǎng)格生成器和智能網(wǎng)格生成器在三維分析中，可采用智能網(wǎng)格生成器——智能網(wǎng)格劃分，它的網(wǎng)格分為10個等級，網(wǎng)格劃分采用自由度為1的網(wǎng)格自動劃分[7]。添加空氣層后的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 管道環(huán)焊縫網(wǎng)格劃分

在腐蝕缺陷管道三維實體模型的對稱面上施加對稱的位移約束，在管道內(nèi)壁施加載荷[7]。加載求解后矢量圖如圖5和6所示。

圖5 無缺陷環(huán)焊縫磁通密度矢量分布圖

圖6 有缺陷焊縫磁通密度矢量分布圖

從圖5、6可以看出，在整個加載過程中，當管道內(nèi)的檢測器經(jīng)過無缺陷的管道環(huán)焊縫時基本上不形成漏磁通；相反，當管道內(nèi)的檢測器經(jīng)過有缺陷的環(huán)焊縫時便形成明顯的漏磁通。不同程度缺陷的漏磁通分量如圖5、6所示。帶有不同缺陷環(huán)焊縫處的漏磁通密度曲線在軸向與徑向的分量特征曲線如圖7、8所示。

通過兩圖對比分析可知，軸向分量的整體形狀相似，帶有缺陷與不帶缺陷的焊縫主要體現(xiàn)在峰值上，隨著缺陷尺寸的減小，峰值在不斷地變小。從徑向分量圖中可以看出，帶有正常焊縫與帶有缺陷的焊縫在整體上，漏磁通曲線方向相反；同樣，隨著缺陷尺寸的不斷減小，峰值在減小，與此同時缺陷的跨度也在變小。

圖7 不同程度缺陷的漏磁通軸向分量特征曲線圖

圖8 不同程度缺陷的漏磁通徑向分量特征曲線圖

4 結(jié)束語

本文以漏磁檢測原理及電磁場仿真理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用ANSYS有限元分析法分別對同一管道有缺陷的環(huán)焊縫和帶有不同無缺陷的環(huán)焊縫進行仿真計算，最后可以得出如下結(jié)論：當管道環(huán)焊縫處存在缺陷時，磁通密度軸向分量特征曲線在整體形狀上基本沒有變化，但是隨著缺陷尺寸的減小，其峰值也在減小；而徑向分量的特征曲線圖形狀則相反，且隨著缺陷尺寸的不斷減小，其曲線峰的峰值在降低，曲線跨度也在變小。為更加精確地對焊縫判傷提供了理論依據(jù)。

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